DE102018122917A1 - Device for the direct optical recording of skin prints - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur optischen Direktaufnahme von Hautabdrücken.Die Aufgabe, eine neue Möglichkeit zur optischen Direktaufnahme von Hautabdrücken menschlicher Autopodien zu finden, die für Personenidentifikationen nach FBI-Standard eine Anzeigeschicht direkt unterhalb der Auflagefläche (11) zulässt, wird erfindungsgemäß gelöst, indem eine Lichtleiterschicht (141) unterhalb der Sensorschicht angeordnet ist, die an einer Schmalseite mindestens eine LED (142) aufweist und mit Lichtauskoppelstrukturen (144) versehen ist, die mittels Neigungswinkel ε und Unterschieden der Brechungsindizes zu Nachbarschichten eine gerichtete Lichtauskopplung aus der Lichtleiterschicht (141) mit einem definierten Winkel, der an der Auflagefläche (11) beim Übergang Deckschicht (12) zu Luft zu interner Totalreflexion (TIR) führt, sowie mit einem kleinen Divergenzwinkelbereich von ≤+/-15° gestatten, wobei zwischen Deckschicht (12) und Sensorschicht (13) sowie zwischen Sensorschicht (13) und Lichtleiterschicht (141) erste und zweite Adhäsionsschichten (15, 16) vorhanden sind, deren Brechungsindizes mindestens 1 % und höchstens 30 % kleiner als die Brechungsindizes der Lichtleiterschicht (141) und der Sensorschicht (13) sind.The invention relates to a device for the optical direct recording of skin prints. The object of the invention is to find a new possibility for the optical direct recording of skin prints of human autopodiums, which allows a display layer for person identification according to the FBI standard directly below the contact surface (11) a light guide layer (141) is arranged below the sensor layer, which has at least one LED (142) on a narrow side and is provided with light decoupling structures (144) which, by means of the angle of inclination ε and differences in the refractive indices from neighboring layers, provide a directional light decoupling from the light guide layer (141) allow with a defined angle that leads to internal total reflection (TIR) on the contact surface (11) at the transition from the top layer (12) to air, and with a small divergence angle range of ≤ +/- 15 °, whereby between the top layer (12) and the sensor layer (13) and between Senso r layer (13) and light guide layer (141) first and second adhesion layers (15, 16) are present, the refractive indices of which are at least 1% and at most 30% smaller than the refractive indices of the light guide layer (141) and the sensor layer (13).
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur optischen Direktaufnahme von Hautabdrücken, insbesondere zur Aufnahme von Papillarlinien von Mehrfinger- oder Handabdrücken.The invention relates to a device for the optical direct recording of skin prints, in particular for recording papillary lines of multi-finger or hand prints.
Der Stand der Technik kennt einerseits Systeme, die der Verifikation biometrischer Merkmale dienen, bei denen eine Übereinstimmung mit abgespeicherten Merkmalen vorliegen muss, beispielsweise um eine Zugangskontrolle für definierte Sperrbereiche zu ermöglichen.On the one hand, the prior art knows systems which serve for the verification of biometric features, in which a match with stored features must exist, for example to enable access control for defined restricted areas.
Andere Systeme dienen der Identifikation durch den Abgleich mit Vergleichsdatenbanken, beispielsweise Pass- und Visa-Erstellung, Personenidentitätsfeststellung bei Grenzkontrollen, insbesondere an Flughäfen, oder bei der erkennungsdienstlichen Erfassung durch die Polizei. Die Anforderungen hinsichtlich Qualität, Auflösung und Originaltreue der aufgenommenen Bilder der Hautabdrücke sind bei den letztgenannten Systemen sehr umfangreich.Other systems are used for identification by comparison with comparison databases, for example passport and visa creation, personal identity determination at border controls, in particular at airports, or in the identification process by the police. The requirements regarding quality, resolution and fidelity of the recorded images of the skin prints are very extensive with the latter systems.
Nicht zuletzt aufgrund hoher Anforderungen durch mit erkennungsdienstlichen Maßnahmen betraute Organisationen, wie beispielsweise das Federal Bureau of Investigation (FBI) der USA, gibt es bei diesen Systemen ein hohes Maß an Standardisierung, um einerseits eine möglichst zweifelsfreie Erkennung zu sichern und andererseits Datensätze, die mit verschiedenen Systemen aufgenommen wurden, vergleichbar zu machen.Not least due to the high demands of organizations entrusted with identification measures, such as the Federal Bureau of Investigation (FBI) of the United States, there is a high degree of standardization in these systems, on the one hand to ensure that the detection is as unambiguous as possible and on the other hand that data records are used different systems have been included to make them comparable.
Zur Erfüllung dieser Anforderungskriterien wird ein qualitativ hochwertiges Systemdesign benötigt. Bei einem optischen System bedeutet das beispielsweise, dass nicht nur der Aufnahmesensor bzw. die Aufnahmesensoren den Anforderungen genügen müssen, sondern auch die Beleuchtung und alle anderen für die Bilderzeugung notwendigen Komponenten, vor allem dann, wenn große Hautflächen, also mehr als ein Finger (zum Beispiel eine komplette Hand), gleichzeitig aufgenommen werden soll.A high-quality system design is required to meet these requirement criteria. In the case of an optical system, this means, for example, that not only the exposure sensor or sensors have to meet the requirements, but also the lighting and all other components necessary for image generation, especially when large areas of skin, i.e. more than one finger (for Example a complete hand), should be recorded at the same time.
Für die Erfassung von Finger- und Handabdrücken, welche die genannten hohen Qualitätsanforderungen erfüllen, werden derzeit unterschiedliche Systeme verwendet.Different systems are currently used to record fingerprints and handprints that meet the high quality requirements mentioned.
Zum einen kommen kapazitive, semi-transparente TFT-Sensoren zum Einsatz, bei denen eine Nutzerführung durch ein Display unterhalb des Sensors realisiert werden kann. Das Lesen von sicherheitsrelevanten Dokumenten, wie z. B. Pässen, Führerscheinen, Tickets, Bordkarten etc., ist dabei allerdings nicht möglich, sodass ein separates Gerät oder zumindest eine zusätzliche optische Sensorschicht notwendig wäre, die aber die Gerätekosten in die Höhe treiben würde.On the one hand, capacitive, semi-transparent TFT sensors are used, in which user guidance can be implemented using a display below the sensor. Reading security-related documents such as B. Passports, driving licenses, tickets, boarding cards etc. is not possible, so that a separate device or at least an additional optical sensor layer would be necessary, but this would drive up the device costs.
Zum anderen drängen Geräte auf den Markt, die eine optische Direktabtastung der Hautabdrücke realisieren, d.h. bei denen das aufzunehmende Objekt (Finger, Vierfinger oder Hand) auf eine Auflagefläche direkt über dem lichtempfindlichen Sensorarray aufgelegt wird, ohne dass optisch abbildende Systeme, wie makroskopische Linsen, Prismen, abbildende Gitter etc., zum Einsatz kommen. Diese Systeme können zudem die Aufnahme von Hautabdrücken mit den Vorteilen einer visuellen Nutzerführung sowie einer optischen Aufnahme von Dokumenten an derselben Auflagefläche verbinden, indem optische semi-transparente TFT-Sensoren verwendet werden.On the other hand, devices are entering the market that implement direct optical scanning of the skin prints, i.e. in which the object to be photographed (fingers, four fingers or hand) is placed on a support surface directly above the light-sensitive sensor array, without using optical imaging systems such as macroscopic lenses, prisms, imaging gratings, etc. These systems can also combine the recording of skin impressions with the advantages of a visual user guidance and an optical recording of documents on the same contact surface by using optical semi-transparent TFT sensors.
Ein System, bei dem hierzu ein Display unter dem optischen Sensor positioniert wird, ist bereits aus der
Dennoch sind auch verschiedene Lösungen bekannt, die bei gleicher Bildqualität eine größere Dicke der Deckschicht ermöglichen bzw. erfordern.Nevertheless, various solutions are known which enable or require a greater thickness of the cover layer with the same image quality.
Dazu wird einerseits das Beleuchtungslicht der Hintergrundbeleuchtung kollimiert, wie bei verschiedenen Ausführungen aus der
In ähnlicher Weise ist in der
Nachteilig ist die punktuelle seitliche Einkopplung des Lichts über ein Beugungsgitter, wofür eine Laserquelle erforderlich ist, um benötigte Lichtintensitäten in einen Lichtleiter einzukoppeln. Dadurch erfolgt die Ausleuchtung im Lichtleiter lediglich in einer dreieckigen Fläche. Außerdem ist die Lichtauskopplung aus dem Lichtleiter über die üblichen Streuzentren, wie beispielsweise in der
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine neue Möglichkeit zur optischen Direktaufnahme von Hautabdrücken menschlicher Autopodien zu finden, die bei hohen Anforderungen der Personenidentifikation nach FBI-Standard eine Anzeigeschicht zur Nutzerführung direkt unterhalb der Auflagefläche zulässt, ohne dass insbesondere die örtliche Auflösung der Fingerabdruckbilder abnimmt.The invention has for its object to find a new possibility for the optical direct recording of skin prints of human autopodia, which allows a display layer for user guidance directly below the support surface in the case of high requirements for person identification according to the FBI standard, without in particular the local resolution of the fingerprint images decreasing.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei einer Vorrichtung zur optischen Direktaufnahme von Hautabdrücken, mit einem Schichtkörper, der eine Auflagefläche, die durch eine Deckschicht des Schichtkörpers gebildet ist, sowie eine Sensorschicht und eine Lichtquelleneinheit enthält, wobei die Sensorschicht in einem Sensorraster angeordnete lichtempfindliche Elemente und transparente Bereiche aufweist, dadurch gelöst, dass die Lichtquelleneinheit als Lichtleiterschicht ausgebildet und unterhalb der Sensorschicht angeordnet ist, wobei die Lichtleiterschicht an einer Schmalseite eine Lichteinkopplung mittels LED aufweist, dass die Lichtleiterschicht mit Lichtauskoppelstrukturen versehen ist, die auf Basis eines Neigungswinkels der Lichtauskoppelstrukturen und auf Basis von Unterschieden der Brechungsindizes zwischen den Nachbarschichten der Lichtleiterschicht bis zur Deckschicht eine gerichtete Lichtauskopplung aus der Lichtleiterschicht unter einem definierten Winkel, der nach Durchlaufen aller Schichten bis zur Deckschicht an der Auflagefläche beim Übergang zu Luft zu interner Totalreflexion (TIR) führt, sowie mit einem kleinen Divergenzwinkelbereich von ≤ +/-15 ° gestatten, um eine hohe örtliche Auflösung des aufzunehmenden Hautabdrucks zu erreichen, dass zwischen Deckschicht und Sensorschicht eine erste Adhäsionsschicht sowie zwischen Sensorschicht und Lichtleiterschicht eine zweite Adhäsionsschicht vorhanden sind, wobei die zweite Adhäsionsschicht einen Brechungsindex aufweist, der mindestens 1 % und höchstens 30 % kleiner als die Brechungsindizes der Lichtleiterschicht und der Sensorschicht ist, deren Brechungsindizes zwischen 1,45 und 1,8 liegen, und die erste Adhäsionsschicht einen Brechungsindex aufweist, der mindestens so groß ist wie derjenige der zweiten Adhäsionsschicht.According to the invention, the object is achieved in a device for the optical direct recording of skin impressions, with a laminate which contains a support surface which is formed by a cover layer of the laminate, as well as a sensor layer and a light source unit, the sensor layer being arranged in a sensor grid, light-sensitive elements and transparent areas has been achieved in that the light source unit is designed as a light guide layer and is arranged below the sensor layer, the light guide layer on a narrow side having light coupling by means of LEDs, that the light guide layer is provided with light decoupling structures which are based on an inclination angle of the light decoupling structures and on the basis of differences of the refractive indices between the neighboring layers of the light guide layer up to the cover layer, a directional light coupling out of the light guide layer at a defined angle, which after passing through of all layers up to the top layer on the contact surface at the transition to air leads to internal total reflection (TIR), as well as with a small divergence angle range of ≤ +/- 15 °, in order to achieve a high local resolution of the skin print to be recorded, that between top layer and sensor layer a first adhesion layer and a second adhesion layer are present between the sensor layer and the light guide layer, the second adhesion layer having a refractive index which is at least 1% and at most 30% smaller than the refractive indices of the light guide layer and the sensor layer, whose refractive indices are between 1.45 and 1, 8, and the first adhesive layer has a refractive index that is at least as large as that of the second adhesive layer.
Vorteilhaft weist die LED-Lichteinkopplung eine der LED nachgeordnete Vorkollimationsoptik an der Schmalseite der Lichtleiterschicht auf, mit der in dem jeweils in die Lichtleiterschicht eingekoppelten Strahlenbündel eine horizontale Divergenz zwischen 2,5° und 30° eingestellt ist, um eine verbesserte Auflösung des aufzunehmenden Hautabdrucks zu erreichen.The LED light coupling advantageously has a precollimation optics arranged downstream of the LED on the narrow side of the light guide layer, with which a horizontal divergence between 2.5 ° and 30 ° is set in the beam bundle coupled into the light guide layer in order to improve the resolution of the skin impression to be recorded to reach.
Dabei ist die Vorkollimationsoptik zweckmäßig ein refraktives optisches Element, das an der Schmalseite der Lichtleiterschicht angeordnet und vorzugsweise in Form einer konvexen oder GRIN-Linse an der Schmalseite der Lichtleiterschicht eingearbeitet ist. In einer anderen bevorzugten Ausführung ist die Vorkollimationsoptik innerhalb der Lichtleiterschicht in Form einer konkaven Linse aus einem Medium mit gegenüber der Lichtleiterschicht niedrigerem Brechungsindex ausgebildet.The pre-collimation optics are expediently a refractive optical element which is arranged on the narrow side of the light guide layer and is preferably incorporated in the form of a convex or GRIN lens on the narrow side of the light guide layer. In another preferred embodiment, the pre-collimation optics within the light guide layer are designed in the form of a concave lens made of a medium with a lower refractive index than the light guide layer.
Zweckmäßig ist eine Vielzahl von eng benachbarten LEDs entlang einer Schmalseite der Lichtleiterschicht angeordnet, sodass deren Strahlenbündel aufgrund der horizontalen Divergenz nach einer definierten Einkoppellänge eine angeglichene Lichtintensität in der Lichtleiterschicht bewirken.A plurality of closely adjacent LEDs is expediently arranged along a narrow side of the light guide layer, so that their beam bundles bring about an adjusted light intensity in the light guide layer due to the horizontal divergence after a defined coupling-in length.
Es erweist sich für die Lichteinkopplung weiterhin als vorteilhaft, dass eine Eckenlichteinkopplung mit mindestens einer LED an wenigstens einer durch Einkürzung einer Ecke der Lichtleiterschicht vorhandenen Schmalseite angeordnet ist, wobei ein Intensitätsabfall des in die Lichtleiterschicht eingekoppelten divergenten Strahlenbündels durch einen wachsenden Füllfaktor aus Größe und Dichte der Lichtauskoppelstrukturen kompensiert ist. Dabei ist zweckmäßig eine Streuscheibe zwischen LED und Schmalseite der eingekürzten Ecke der Lichtleiterschicht zur Gleichverteilung des eingekoppelten Lichts in alle Raumwinkel angeordnet, sodass kein Lichtabfall an der eingekürzten Ecke benachbarten Schmalseiten der Lichtleiterschicht kompensiert werden muss.It has also proven to be advantageous for the light coupling in that a corner light coupling with at least one LED is arranged on at least one narrow side provided by shortening a corner of the light guide layer, with a decrease in the intensity of the divergent beam bundle coupled into the light guide layer due to a growing fill factor of size and density Light decoupling structures is compensated. A diffusing screen is expediently arranged between the LED and the narrow side of the shortened corner of the light guide layer for uniform distribution of the coupled light in all solid angles, so that no light drop on the shortened corner of adjacent narrow sides of the light guide layer has to be compensated for.
Es erweist sich des Weiteren als vorteilhaft, dass der Brechungsindex der ersten Adhäsionsschicht genauso groß ist wie der Brechungsindex der zweiten Adhäsionsschicht, sodass ein Anteil von Störlicht, der infolge von durch Umgebungslicht erzeugter Anregung aus den auf der Auflagefläche aufliegenden Hautbereichen austritt, aufgrund von TIR innerhalb der Deckschicht von einer Ausbreitung in Richtung der Sensorschicht ausgeblendet wird. It also proves to be advantageous that the refractive index of the first adhesive layer is as large as the refractive index of the second adhesive layer, so that a proportion of stray light that emerges from the skin areas lying on the support surface as a result of excitation generated by ambient light is due to TIR inside the cover layer is hidden from spreading in the direction of the sensor layer.
Der Schichtkörper weist bevorzugt ein Display zur Darstellung von Nutzerinformationen auf, das unterhalb des Lichtleiters angelegt ist, wobei das Display ein LCD, OLED, QLED etc. sein kann. Dabei kann das Display an der Unterseite der Lichtleiterschicht entweder abnehmbar ohne Klebstoffschicht oder mittels einer weiteren niedrigbrechenden Adhäsionsschicht mit einem Brechungsindex, der höchstens so groß ist wie derjenige der zweiten Adhäsionsschicht, befestigt sein, damit Streulicht oder an der Rückseite der Sensorschicht reflektiertes Licht vom Display absorbiert werden kann. Dadurch ist die Lichtleiterschicht unabhängiger von dem Reflexionsanteil der Sensorschicht und kann stets gleiche Lichtauskoppelstrukturen aufweisen. Des Weiteren wird der Schichtkörper durch die Verklebung des massiven Displays mechanisch stabiler.The laminate preferably has a display for displaying user information, which is applied below the light guide, the display being an LCD, OLED, QLED etc. The display can be attached to the underside of the light guide layer either detachably without an adhesive layer or by means of another low-index adhesive layer with a refractive index that is at most as large as that of the second adhesive layer, so that scattered light or light reflected on the back of the sensor layer absorbs from the display can be. As a result, the light guide layer is more independent of the reflection component of the sensor layer and can always have the same light output structures. Furthermore, the laminated body becomes mechanically more stable through the gluing of the massive display.
Außerdem kann das Display als zusätzliche Leuchtschicht zur Beleuchtung von Dokumenten eingesetzt werden, um zusätzlich zu der durch Restdivergenz vom TIR-Winkelbereich bereitgestellten Beleuchtung der Lichtleiterschicht Licht für die Dokumentenbeleuchtung zur Verfügung zu stellen.In addition, the display can be used as an additional luminescent layer for illuminating documents in order to provide light for document illumination in addition to the illumination of the light guide layer provided by residual divergence from the TIR angular range.
Die Lichteinkopplung enthält zweckmäßig mehrere mit einem Mittenabstand zwischen 1 mm und 10 mm dicht gepackte LEDs, die so definiert vorkollimiert sind, dass nach einer Einkoppellänge von mindestens 2 mm die LEDs überlappende Lichtabstrahlungskegel aufweisen, um eine homogene Ausleuchtung zu erzeugen. Der Mittenabstand der LEDs beträgt bevorzugt 3-6 mm mit vorzugsweise einer Halbwertsbreite (FWHM) der Abstrahlung von 10° bzw. einer Divergenz von ≤ +/-5°, wobei die Einkoppellänge bevorzugt 2-20 mm beträgt.The light coupling expediently contains a plurality of LEDs densely packed with a center distance between 1 mm and 10 mm, which are pre-collimated in such a way defined that after a coupling-in length of at least 2 mm, the LEDs have overlapping light radiation cones in order to produce a homogeneous illumination. The center distance of the LEDs is preferably 3-6 mm with preferably a half-width (FWHM) of the radiation of 10 ° or a divergence of genz +/- 5 °, the coupling length preferably being 2-20 mm.
In einer speziellen Ausführung der Erfindung sind die Lichtauskoppelstrukturen vorteilhaft so ausgebildet, dass nur zwischen 50% und 95% des aus der Lichtleiterschicht ausgekoppelten Beleuchtungslichts beim Übergang zu Luft an der Auflagefläche in der Deckschicht totalreflektierter Lichtanteil sind, während ein verbleibender restlicher Lichtanteil zur Beleuchtung von Dokumenten nutzbar ist.In a special embodiment of the invention, the light decoupling structures are advantageously designed in such a way that only between 50% and 95% of the illuminating light decoupled from the light guide layer are totally reflected light components on the contact surface in the cover layer while transitioning to air, while a remaining remaining light component for illuminating documents is usable.
Zweckmäßig weist Lichtleiterschicht einen Füllfaktor der Lichtauskoppelstrukturen auf, gebildet durch Größe und Abstände der Lichtauskoppelstrukturen, der für jede Stelle der Lichtleiterschicht mindestens so groß ist, dass die Lichtauskoppelstrukturen in einem aufzunehmenden Abdruckbild von Hautbereichen nicht sichtbar sind. Dabei weisen die Lichtauskoppelstrukturen vorzugsweise einen Abstand s auf, der sehr viel kleiner ist als eine resultierende Strahldivergenz der Lichtauskoppelstrukturen der Lichtleiterschicht. Des Weiteren weist die Lichtleiterschicht eine hohe Transparenz auf, sodass die Trübung weniger als 20 % beträgt.The light guide layer expediently has a fill factor of the light outcoupling structures, formed by the size and spacing of the light outcoupling structures, which is at least so large for each point of the light guide layer that the light outcoupling structures are not visible in an imprint image of skin areas to be recorded. The light outcoupling structures are preferably at a distance s which is very much smaller than a resulting beam divergence of the light outcoupling structures of the light guide layer. Furthermore, the light guide layer has a high transparency, so that the haze is less than 20%.
In einer weiteren vorteilhaften Gestaltung ist unter der transparenten Lichtleiterschicht eine weitere transparente Lichtleiterschicht angebracht und mit dieser durch eine weitere Adhäsionsschicht, die einen niedrigen Brechungsindex wie die erste und zweite Adhäsionsschicht aufweist, verbunden.In a further advantageous embodiment, a further transparent light guide layer is attached under the transparent light guide layer and connected to it by a further adhesion layer which has a low refractive index like the first and second adhesion layers.
Dabei erweist sich eine erste Variante als zweckmäßig, bei der die Lichtleiterschicht und die weitere Lichtleiterschicht die Lichteinkopplung an gegenüberliegenden Schmalseiten des Schichtkörpers aufweisen, um auf die weitere Lichtleiterschicht zurückzugreifen, falls das mit der primären Lichtleiterschicht aufgenommene Bild eines Hautbereiches qualitativ schlecht ist (Defektspalten, Pixel, nasser Finger, trockener Finger, ...), wofür ein zweites mit der weiteren Lichtleiterschicht aufgenommenes Bild, das zum ersten Bild verschoben ist, einzeln verwendet oder mit dem ersten Bild (unter Berücksichtigung eines vorhandenen Versatzes) fusioniert werden kann.In this case, a first variant proves to be expedient, in which the light guide layer and the further light guide layer have the light coupling on opposite narrow sides of the layer body in order to fall back on the further light guide layer if the image of a skin area recorded with the primary light guide layer is of poor quality (defect columns, pixels , wet finger, dry finger, ...), for which a second image recorded with the further light guide layer, which is shifted to the first image, can be used individually or fused with the first image (taking into account an existing offset).
In einer zweiten vorteilhaften Variante kann die Lichtleiterschicht und die weitere Lichtleiterschicht die Lichteinkopplung an derselben Schmalseite des Schichtkörpers haben und Lichtauskoppelstrukturen mit gleicher Ausrichtung aufweisen, wobei die Lichtleiterschicht und die weitere Lichtleiterschicht Lichtauskoppelstrukturen mit derart unterschiedlichen Neigungswinkeln
Die Erfindung basiert auf der Grundüberlegung, dass beim Zusammenführen der Funktionen von Fingerabdruckaufnahme und Dokumentenaufnahme in einem Gerät, das darüber hinaus auch Anzeigefunktionen zur Nutzerführung in der Auflagefläche implementieren soll, in der Regel die Lichtintensität der Hautabdrücke unzureichend wird oder die Auflösung und der Kontrast der Aufnahmen nicht mehr dem geforderten FBI-Standard entspricht. Die Erfindung löst diese Probleme, indem eine Lichtleiterschicht unterhalb einer semitransparenten Sensorschicht angeordnet ist und an einer Schmalseite der Lichtleiterschicht die Lichteinkopplung mittels LED erfolgt, wobei die Lichtleiterschicht mit Lichtauskoppelstrukturen versehen ist, die auf Basis des Neigungswinkels der Lichtauskoppelstrukturen und der Brechzahlunterschiede zwischen den Nachbarschichten der Lichtleiterschicht bis zur Deckschicht eine gerichtete Lichtauskopplung unter einem definierten Winkel, der an der Auflagefläche beim Übergang zu Luft zur TIR mit einem kleinen Divergenzwinkelbereich von ≤ +/-15° führt, um eine hohe örtliche Auflösung des aufzunehmenden Hautabdrucks zu erreichen. Durch zur Lichtleiterschicht angepasste Brechungsindizes der Adhäsionsschichten und Nachbarschichten kann die Lichtauskopplung gezielt weiter verbessert werden.The invention is based on the basic idea that when the functions of fingerprint recording and document recording are combined in one device, which is also intended to implement display functions for user guidance in the support surface, the light intensity of the skin prints generally becomes insufficient or the resolution and contrast of the images no longer meet the required FBI standard. The invention solves these problems in that a light guide layer is arranged below a semitransparent sensor layer and the light is coupled in by means of LEDs on a narrow side of the light guide layer, the light guide layer being provided with light decoupling structures which are based on the angle of inclination of the light decoupling structures and the refractive index differences between the adjacent layers of the light guide layer up to the top layer, directional light decoupling at a defined angle, which leads to a small divergence angle range of ≤ +/- 15 ° on the contact surface at the transition to air to TIR in order to achieve a high local resolution of the skin impression to be taken. The decoupling of light can be further improved in a targeted manner by means of refractive indices of the adhesive layers and neighboring layers that are adapted to the light guide layer.
Mit der Erfindung ist es möglich, Hautabdrücke menschlicher Autopodien mittels eines optischen Direktscanners mit hoher Qualität nach FBI-Standards aufzunehmen und außerdem Informationen zur Nutzerführung mittels eines Displays unterhalb der Auflagefläche und der Sensorfläche anzuzeigen, ohne dass dabei eine Verschlechterung der örtlichen Auflösung der Hautabdruckbilder einhergeht.With the invention, it is possible to record skin imprints of human autopodia by means of an optical direct scanner with high quality according to FBI standards and also to display information on user guidance by means of a display below the contact surface and the sensor surface, without this leading to a deterioration in the local resolution of the skin imprint images.
Die Erfindung soll nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Die Zeichnungen zeigen:
-
1 : eine prinzipielle Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem Schichtkörper, enthaltend eine Deckschicht mit Auflagefläche für aufzunehmende Objekte, eine Sensorschicht und eine Lichtleiterschicht als Lichtquelle, -
2 : eine vorteilhafte Ausführung der Erfindung mit einem Display zur Nutzerführung, das unterhalb des in1 gezeigten Aufbaus angeordnet ist, wobei über den Sensorelementen eine zusätzliche Blendenschicht zur Verminderung des Lichteinfalls von mehreren Querorten auf ein und dasselbe Sensorelement vorhanden ist, -
3a : einen Ausschnitt des Schichtkörpers mit speziellen Lichtauskoppelstrukturen an der Unterseite der Lichtleiterschicht zur Auskopplung von Strahlenbündeln, die die Auflagefläche unter einem Totalreflexionswinkel erreichen, -
3b : einen Ausschnitt des Schichtkörpers mit speziellen Lichtauskoppelstrukturen an der Oberseite der Lichtleiterschicht zur Auskopplung von Strahlenbündeln, die die Auflagefläche unter einem Totalreflexionswinkel erreichen, -
3c : zwei Abschnitte der Lichtleiterschicht mit unterschiedlich geformten Lichtauskoppelstrukturen der Lichtleiterschicht von3b in einer Draufsicht, bei der die Lichtauskoppelstrukturen in Richtung des Lichteinfalls ansteigende Vierecksflächen, wie z. B. Trapeze, Rechtecke, sind, -
4a : einen Ausschnitt des Schichtkörpers gemäß der Ausführung von3a mit einer vergrößerten keilförmigen Lichtauskoppelstruktur und Darstellung eines repräsentativen Strahlenverlaufs, der an der Lichtauskoppelstruktur zur Auflagefläche hin ausgekoppelt wird und letztere unter einem Totalreflexionswinkel erreicht, -
4b : eine zu4a erstellte Darstellung des Lichtleitwinkels des in der Lichtleiterschicht geführten Lichts über dem Neigungswinkel der keilförmigen Struktur, um die Abhängigkeit des Strahlverlaufs durch die Grenzflächen des Schichtkörpers aufgrund unterschiedlichen Brechungsverhaltens als Zustandsdiagramm aufzuzeigen, -
5 : einen Ausschnitt des Schichtkörpers gemäß1 mit aufgelegtem Finger unter Einwirkung von Umgebungslicht (Sonne), das bei dieser Ausführung innerhalb der Deckschicht durch Totalreflexion von den Sensorelementen der Sensorschicht ferngehalten, d.h. ausgeblendet wird, -
6 : eine besondere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei der unterhalb der Sensorschicht zwei Lichtleiterschichten unmittelbar übereinander und oberhalb eines darunter angeordneten Displays vorhanden sind, -
7 : eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung, die eine zusätzliche Spektralfilterschicht über der Sensorschicht und eine zusätzliche Substratschicht zwischen Sensorschicht und Lichtleiterschicht aufweist, -
8 : eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung, bei der infolge von Lichtauskoppelstrukturen mit angepassten Neigungswinkeln für TIR-Aufnahmen von Hautabdrücken und angepassten Neigungswinkeln zur Aufnahme von Dokumenten möglich ist,9 : mehrere vorteilhafte Ausführungsformen der Lichteinkopplung in die Lichtleiterschicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei denen an einer Schmalseite der Lichtleiterschicht (a) unkollimierte LEDs eingekoppel sind, wobei jeder Objektpunkt mehrere Bildpunkte erzeugt, (b) herstellerseitig vorkollimierte LEDs unmittelbar einstrahlen, (c) LEDs mit einer zwischengeordneten Vorkollimationsoptik einkoppeln, (d) LEDs über in der Lichtleiterschicht eingebettete Vorkollimationsoptiken einstrahlen und (e) LEDs unterschiedlicher Wellenlängen zur alternativen spektralen Beleuchtung abwechselnd angeordnet sind, -
10 : eine Darstellung von dicht gepackten, vorkollimiert eingekoppelten LEDs zur Erläuterung der erreichbaren Beleuchtungshomogenität in Abhängigkeit von Mittenabstand der LEDs und Einkoppellängen der Strahlenbündel, -
11 : mehrere vorteilhafte Ausführungsformen der Lichteinkopplung in die Lichtleiterschicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei denen an einer eingekürzten Ecke der Lichtleiterschicht eine Eckenbeleuchtung (a) mit einer unkollimierten LED realisiert ist, wobei jeder Objektpunkt (in horizontaler Richtung) genau einen Bildpunkt erzeugt, (b) zwei LEDs mit dazwischen angeordneter Streuscheibe und (c) mit einer unkollimierten LED, wobei die eingekürzte Ecke der Lichtleiterschicht eine angepasst gekrümmte Einkopplungsfläche aufweist.
-
1 a basic embodiment of the device according to the invention with a laminated body, comprising a cover layer with a supporting surface for objects to be recorded, a sensor layer and a light guide layer as light source, -
2nd : an advantageous embodiment of the invention with a display for user guidance, which is below the in1 The structure shown is arranged, with an additional diaphragm layer above the sensor elements to reduce the incidence of light from several transverse locations on one and the same sensor element, -
3a a section of the laminated body with special light coupling structures on the underside of the light guide layer for coupling out beams that reach the contact surface at a total reflection angle, -
3b : a section of the laminate with special light coupling structures on the top of the light guide layer for coupling out beams that reach the contact surface at a total reflection angle, -
3c : two sections of the light guide layer with differently shaped light coupling structures of the light guide layer from3b in a plan view, in which the light decoupling structures rising in the direction of light incidence quadrangular surfaces, such as. B. trapezoids, rectangles, -
4a : a section of the laminate according to the execution of3a with an enlarged wedge-shaped light decoupling structure and representation of a representative beam path, which is decoupled at the light decoupling structure towards the support surface and reaches the latter at a total reflection angle, -
4b : one too4a created representation of the light guide angle of the light guided in the light guide layer over the angle of inclination of the wedge-shaped structure in order to show the dependence of the beam path through the interfaces of the layer body due to different refractive behavior as a state diagram, -
5 : a section of the laminate according to1 with the finger placed on it under the influence of ambient light (sun), which in this embodiment is kept away from the sensor elements of the sensor layer by total reflection within the cover layer, ie is hidden, -
6 a special embodiment of the device according to the invention, in which there are two light guide layers directly above one another and above a display arranged underneath the sensor layer, -
7 a further advantageous embodiment of the invention, which has an additional spectral filter layer over the sensor layer and an additional substrate layer between the sensor layer and the light guide layer, -
8th a particularly advantageous embodiment of the invention, in which, as a result of light decoupling structures with adapted inclination angles for TIR images of skin prints and adapted inclination angles for accommodating documents, it is possible,9 : Several advantageous embodiments of the light coupling into the light guide layer of the device according to the invention, in which (a) uncollimated LEDs are coupled in on a narrow side of the light guide layer, each object point producing several pixels, (b) LEDs pre-collimated by the manufacturer, (c) LEDs with one Coupling intermediate precollimation optics, (d) illuminating LEDs via precollimation optics embedded in the light guide layer and (e) LEDs different wavelengths are alternately arranged for alternative spectral illumination, -
10th : a representation of tightly packed, pre-collimated coupled LEDs to explain the achievable lighting homogeneity depending on the center distance of the LEDs and the coupling lengths of the beams, -
11 : Several advantageous embodiments of the coupling of light into the light guide layer of the device according to the invention, in which corner lighting (a) is realized with an uncollimated LED at a shortened corner of the light guide layer, each object point (in the horizontal direction) producing exactly one pixel, (b) two LEDs with a diffusing screen arranged between them and (c) with an uncollimated LED, the shortened corner of the light guide layer having an adapted curved coupling surface.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst in einem Grundaufbau - wie in
Das von der(n) LED
Es sei an dieser Stelle erwähnt, dass die oben definieren Brechungsindizes, die geringfügig von dem der Lichtleiterschicht
In
Die Adhäsionsschichten
Als Lichtleiterschicht
Die Sensorschicht
Es sei darauf hingewiesen, dass alle vorstehenden Angaben zu den Materialien und Parametern der Adhäsionsschichten
Infolge der Teiltransparenz der Sensorschicht
Durch den über die gesamte Sensorschicht
Um die Auflösung eines aufgenommenen Hautabdrucks
Zum effektiven Blockieren von Störlicht oder Beleuchtungswinkeln, die nicht detektiert werden sollen, sind nichttransparente Blendenmaterialien notwendig. Bevorzugt sind für die einzelnen Blenden in der Blendenschicht
Die lichtempfindlichen Elemente
Zur Art und Form der Lichtauskoppelstrukturen
Zusätzlich beinhaltet
- I: Geführte Strahlen (a > 71°) müssen an
Lichtauskoppelstruktur 144 totalreflektiert werden - II: Der durch die
Lichtauskoppelstruktur 144 abgelenkte Strahl, der mit dem Austrittswinkel δ = α - 2·ε an der Oberseite derLichtleiterschicht 141 auftrifft, darf dort nicht totalreflektiert werden - III: Am Deckschicht-Luft-Übergang muss Totalreflexion stattfinden (
Deckschicht 12 mit n = 1,49 angenommen)
- I: Guided beams (a> 71 °) must be at the light decoupling structure
144 be totally reflected - II: The one through the light decoupling structure
144 deflected beam that with the exit angle δ = α - 2 · ε on the top of the light guide layer141 hits, must not be totally reflected there - III: Total reflection must take place at the top layer-air transition (top layer
12th with n = 1.49 assumed)
Die Grafik in
In der Ausführungsform mit Lichtauskoppelstrukturen, wie in
Zur Verminderung des Einflusses von Störlicht
Kommt als Deckschicht
Aufgrund der hohen Transparenz von Lichtleitern können mehrere Lichtleiterschichten
Zudem sind die parallel zueinander ausgekoppelten Lichtstrahlen aus der Draufsicht betrachtet zueinander versetzt und tragen zur Homogenisierung der Beleuchtung bei, indem jede Lichtleiterschicht
Der zweite Vorteil besteht darin, dass mehrere Aufnahmen bei ausschließlicher Beleuchtung mit jeweils einer der gleichartigen Lichtleiterschichten
Ein dritter Vorteil ergibt sich, wenn die beiden Lichtleiterschichten
In einer modifizierten Variante von
In diesem alternativen Fall führen die aus den Lichtleiterschichten
Des Weiteren ist in
Die Spektralfilterschicht
Wie aus
Die Signalverbreiterung beziehungsweise Aufweitung der Strahlenbündel steht bei dieser Erfindung im engen Zusammenhang mit einem Füllfaktor der Lichtauskoppelstrukturen
Zur gleichmäßigen Beleuchtung der Auflagefläche
Zum einen ist es möglich, dass die Lichtauskoppelstrukturen
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform ohne Display
Beinhaltet die erfindungsgemäße Vorrichtung ein Display
Ist die vertikale Divergenz um den Lichtleitwinkel
Diese Vorgehensweise kann auch in der Darstellung von
In einer weiteren Ausführungsform ist ein erster Bereich der Auflagefläche
Es können also verschiedene Objekte, z. B. Haut, Dokumente etc, durch Wahl der Gestaltung der Lichtauskoppelelemente
In
In der Teilabbildung (a) von
Als Quelle für das Beleuchtungslicht können verschiedene Ausführungsformen zum Einsatz kommen. Werden mehrere LED ohne Kollimation der Strahlenbündel
Durch das Durchmischen der Strahlenbündel
In
In Teilabbildung (b) sind vom Hersteller vorkollimierte LEDs
Falls diese Art der Einkopplung den Anforderungen an die örtliche Auflösung der Bildaufnahme nicht gerecht wird, sind die Ausführungsvarianten mit einer zusätzliche Vorkollimationsoptik
In der Teilabbildung (e) von
Bevor das Beleuchtungslicht der mehreren LEDs
Wie eingangs beschrieben, ist eine Vorkollimation der LED
Eine homogene Beleuchtung wird dadurch realisiert, dass vorkollimierte LED
Dadurch überlappen sich insbesondere in horizontaler Richtung die eingekoppelten benachbarten divergenten Strahlenbündel
Je niedriger die Divergenz der LEDs
Bei einer Divergenz von 10° und einem Abstand von 10 mm als Mittenabstand A der LEDs
In
Bei einer so beschaffenen Eckenbeleuchtung können Reflexionen an den Randbereichen der benachbarten Schmalseiten der Lichtleiterschicht
In den Teilabbildungen (b) und (c) von
Mit den hier beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung sind hochauflösende und kontrastreiche Aufnahmen von Hautabdrücken
BezugszeichenlisteReference list
- 11
- SchichtkörperLaminate
- 1111
- AuflageflächeContact surface
- 1212th
- DeckschichtTop layer
- 1313
- SensorschichtSensor layer
- 131131
- lichtempfindliche Elementephotosensitive elements
- 132132
- transparente Bereichetransparent areas
- 1414
- LichtquelleneinheitLight source unit
- 141141
- LichtleiterschichtLight guide layer
- 141'141 '
- (weitere) Lichtleiterschicht(further) light guide layer
- 142142
- LEDLED
- 143143
- VorkollimationsoptikPre-collimation optics
- 144144
- LichtauskoppelstrukturLight decoupling structure
- 145145
- eingekürzte Eckeshortened corner
- 146146
- StreuscheibeLens
- 147147
- StrahlenbündelBundle of rays
- 1515
- erste Adhäsionsschichtfirst adhesive layer
- 1616
- zweite Adhäsionsschichtsecond adhesive layer
- 1717th
- DisplayDisplay
- 171171
- AbschlussschichtFinishing shift
- 172172
- SubstratSubstrate
- 173173
- LeuchtelementschichtLuminous element layer
- 1818th
- weitere Adhäsionsschichtadditional adhesive layer
- 1919th
- Spektralfilterschicht (Bandpass)Spectral filter layer (bandpass)
- 22nd
- Fingerfinger
- 2121
- (aufzunehmender) HautabdruckSkin impression (to be recorded)
- 33rd
- Dokumentdocument
- 44th
- StörlichtStray light
- αα
- Lichtleitwinkel (des in der Lichtleiterschicht geführten Lichts)Light guiding angle (of the light guided in the light guiding layer)
- β, β'β, β '
- Beleuchtungswinkel (an der Auflagefläche)Illumination angle (on the contact surface)
- δδ
- Austrittswinkel (aus der LichtleiterschichtExit angle (from the light guide layer
- ε, ε'ε, ε '
- Neigungswinkel (der Lichtauskoppelstruktur)Angle of inclination (of the light decoupling structure)
- ϕ, ϕ'ϕ, ϕ '
- Reflexionswinkel (der Lichtauskoppelstruktur)Reflection angle (of the light decoupling structure)
- γγ
- Brechungswinkel (der Lichtauskoppelstruktur)Angle of refraction (of the light decoupling structure)
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited
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-
2018
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